專利名稱：基于紅外測溫的鋁合金半固態(tài)重熔加熱控制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料成形技術(shù)，尤其涉及一種基于紅外測溫的鋁合金半固態(tài)重熔 加熱控制方法及裝置。
背景技術(shù)：
20世紀70年代初，美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了金屬處于半固態(tài)狀態(tài)下的流變性能，并發(fā)展了金屬半固態(tài)成形技術(shù)，該工藝介于固態(tài)金屬成形和液態(tài)金屬成形 之間，融合了鑄造和塑性成形工藝優(yōu)點，具有高效、節(jié)能等顯著優(yōu)點，被認為是21世紀最有 發(fā)展前途的近凈成形技術(shù)之一。近年來半固態(tài)金屬成形技術(shù)在科學(xué)研究以及工業(yè)生產(chǎn)中均 受到普遍關(guān)注，其研究成果在汽車工業(yè)中零件加工中已經(jīng)取得了較大程度的應(yīng)用。在目前 半固態(tài)金屬成形所選用的材料中，鋁硅鎂合金(尤其是A356，A357)憑借其較大的固液共存 區(qū)以及良好的成形性能，成為該技術(shù)最為重要和常見的材料。半固態(tài)金屬成形的工藝可以分為觸變成形和流變成形兩種，其中流變成形是指將 經(jīng)攪拌獲得的半固態(tài)金屬漿料在保持其半固態(tài)溫度的條件下直接進行半固態(tài)加工，而觸變 成形是指將半固態(tài)漿料冷卻凝固成坯料后，根據(jù)產(chǎn)品尺寸下料，再重新加熱到半固態(tài)溫度， 然后進行成形加工。觸變成形工藝流程長，但它便于組織專業(yè)化生產(chǎn)，質(zhì)量便于控制，因而 成為半固態(tài)成形技術(shù)研究的重點，在現(xiàn)有的研究及工業(yè)應(yīng)用中絕大多數(shù)采用觸變成形的工 藝。半固態(tài)金屬觸變成形的工藝流程一般包括半固態(tài)坯料制備、坯料運輸切割、重熔 加熱以及觸變成形。其中重熔加熱的液相率控制是能否成功進行最終觸變成形的關(guān)鍵，如 果液相率過高，坯料產(chǎn)生“象足”現(xiàn)象，并造成難以搬運；反之如果液相率過低，則后續(xù)成形 所需載荷將大大增加，喪失了半固態(tài)成形的優(yōu)勢。因此，在重熔加熱過程中一般控制坯料液 相率為40-50%時為宜。目前半固態(tài)金屬重熔加熱的液相率控制方法主要有熱電偶測溫法、尖針侵入法、 加熱能量控制法、線圈感應(yīng)法、聲壓法等。熱電偶測溫法是半固態(tài)技術(shù)實驗研究中最常用的液相率控制方法，通過熱電偶直 接測量半固態(tài)坯料的溫度，進而達到控制液相率的目的，具有直觀、準確、連續(xù)的優(yōu)點。熱電 偶測溫法的最大缺點是每塊坯料上均需鉆孔，孔內(nèi)表面在加熱時容易氧化，降低毛坯的內(nèi) 在質(zhì)量，而且每塊坯料上取放熱電偶的工藝操作麻煩，不適合高效率的生產(chǎn)控制。因此，熱 電偶測溫法只適合實驗研究，難以進入工業(yè)應(yīng)用。尖針侵入法采用一定重量和形狀的尖針刺入半固態(tài)坯料表面，由于尖針刺入表面 的速度與半固態(tài)的液相率有著較好的對應(yīng)性，通過對照預(yù)先獲得的實驗曲線，即可達到控 制坯料液相率的目的。該方法直觀、簡單，但刺入的過程形成小孔，孔洞內(nèi)表面的氧化降低 坯料質(zhì)量，而且經(jīng)過一次測量后如需再次測量還需在不同區(qū)域刺入，造成不便。加熱能量控制法是一種常用的開環(huán)控制方法，該方法通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)以固定的加熱 功率、時間對于固定尺寸的工件進行加熱，以固定的加熱能量期望得到預(yù)定的液相率。該方法簡單、便捷、成本低，然而該方法控制精度不高，對于坯料及其環(huán)境要求很高，條件改變將 造成控制失敗，產(chǎn)生廢品。線圈感應(yīng)法的原理是金屬坯料由固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時，坯料電導(dǎo)率將明顯下降，通 過感應(yīng)線圈可檢測出感應(yīng)渦電流的透入深度的變化，進而確定坯料液相率。該方法適應(yīng)強， 有發(fā)展?jié)摿?，但目前尚不成熟。缺點是液相率較低時準確度不高，易產(chǎn)生誤報，另外如果坯 料采用感應(yīng)加熱方式，則會對該方法產(chǎn)生影響。聲壓法的工作原理是金屬坯料在感應(yīng)加熱過程中會產(chǎn)生一個噪聲場，該聲場在固 相轉(zhuǎn)為液相時聲壓變化很強烈，聲壓法就是通過檢測聲壓變化來得到坯料液相率。該方法 尚處于實驗階段，未進入應(yīng)用。
從金屬坯料半固態(tài)重熔加熱液相率控制技術(shù)的研究報道中可以發(fā)現(xiàn)，目前金屬坯 料半固態(tài)重熔加熱尚缺乏一種易于工業(yè)應(yīng)用的在線測控技術(shù)，現(xiàn)有的控制技術(shù)對于工業(yè)應(yīng) 用均不甚理想。主要存在的問題有(1)對于金屬坯料半固態(tài)重熔加熱液相率的控制，開環(huán)的方法目前在工業(yè)中也被 采用，但精度較差；(2)為了對于液相率進行閉環(huán)精確控制，常采用接觸式測量技術(shù)，這需要對每個工 件進行打孔，破壞工件表面，不利于工業(yè)應(yīng)用；(3)半固態(tài)坯料重熔加熱的非接觸測溫方法尚不成熟，有待進一步發(fā)展和改進。為了便于金屬坯料半固態(tài)重熔加熱的液相率控制，降低生產(chǎn)成本，為后續(xù)的觸變 成形工藝創(chuàng)造條件，進而改進半固態(tài)金屬成形技術(shù)，將其推向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，從而提供一種適 合大批量、低成本和高效的金屬近凈成形技術(shù)，對于現(xiàn)有的半固態(tài)重熔加熱控制方法進行 改進是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述半固態(tài)坯料重熔加熱液相率控制方法的不足，本發(fā)明的目的在于 提供一種基于紅外測溫的鋁合金半固態(tài)重熔加熱控制方法及裝置。采用紅外測溫儀對 于重熔加熱半固態(tài)鋁合金進行非接觸式測溫，并依據(jù)溫度變化曲線獲得具有合適液相率 (40% -50% )的半固態(tài)坯料，從而避免了接觸式測溫帶來的麻煩，同時具有良好的控制效 果，提高了生產(chǎn)效率。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所依據(jù)的基本原理是任何物體只要溫度高于絕對零度，就有熱輻射向外部發(fā)射，紅外測溫技術(shù)通過檢 測熱輻射強度，并依據(jù)物體發(fā)射率來換算得到物體表面的溫度。然而發(fā)射率在感應(yīng)加熱過 程中難以準確獲得，導(dǎo)致紅外測溫儀難以準確測出半固態(tài)坯料的加熱溫度，這也是紅外測 溫儀在半固態(tài)坯料測溫領(lǐng)域罕有應(yīng)用的原因。然而，盡管紅外測溫儀對于物體絕對溫度的 測量存在局限，但對于溫度的相對變化趨勢可以進行準確的把握。本發(fā)明正是依據(jù)這一特 點避免發(fā)射率標定的困難，通過監(jiān)測半固態(tài)坯料的溫度變化趨勢，并依據(jù)鋁合金坯料相變 特性，獲得具有合適液相率的半固態(tài)重熔坯料。用于半固態(tài)成形的鋁合金一般均為鋁硅系合金，尤其是鋁硅鎂系合金中的A356 和A357。在重熔加熱的相變過程中，在固相率由約80%轉(zhuǎn)化為約60%過程時，固相率下降，液相率上升，但溫度基本保持不變，為鋁硅二元共晶轉(zhuǎn)變區(qū)。該段二元共晶轉(zhuǎn)變區(qū)的實際意 義在于當采用一定功率的感應(yīng)加熱器對坯料進行感應(yīng)加熱時，合金在進入共晶轉(zhuǎn)變區(qū)后 溫度曲線將出現(xiàn)一段明顯的平坦區(qū)，而在共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后，溫度又將重新開始上升。在剛剛 完成共晶轉(zhuǎn)變時，鋁合金坯料的液相率為40% -45%，正是最適于半固態(tài)觸變成形的液相 率范圍。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一、一種基于紅外測溫的鋁合金半固態(tài)重熔加熱控制方法，該方法包括以下各步驟1)將鋁合金半固態(tài)坯料置于感應(yīng)加熱線圈中，調(diào)整紅外測溫儀對準坯料的表面中 心位置，連接紅外測溫儀至計算機，開啟測溫軟件顯示溫度變化曲線；2)開始感應(yīng)線圈加熱，頻率為7000-9000HZ，加熱功率30_35kW，加熱至540°C時停 止加熱；3)停止加熱5s后重新開始感應(yīng)線圈加熱，頻率為7000-9000HZ，調(diào)節(jié)加熱功率至 15-20kff ；4)繼續(xù)加熱，待溫度曲線趨于平穩(wěn)不再上升時，調(diào)節(jié)加熱功率為5_8kW ；5)繼續(xù)加熱，待溫度曲線由平穩(wěn)轉(zhuǎn)而重新升高，重新升高5-10°C后停止加熱；6)完成鋁合金半固態(tài)重熔加熱，將半固態(tài)坯料移至后續(xù)加工環(huán)節(jié)。二、一種基于紅外測溫的鋁合金半固態(tài)重熔加熱控制裝置包括微型計算機、紅外測溫儀、感應(yīng)加熱線圈、耐火磚和感應(yīng)加熱器；將感應(yīng)加熱 線圈置于耐火磚上，感應(yīng)加熱線圈內(nèi)裝有鋁合金半固態(tài)坯料，紅外測溫儀對準在鋁合金半 固態(tài)坯料表面中心位置，紅外測溫儀與微型計算機通過USB 口進行通訊，感應(yīng)加熱器的一 端接感應(yīng)加熱線圈，感應(yīng)加熱器的另一端接微型計算機，微型計算機中運行的加熱控制程 序依據(jù)接收的溫度信號，通過運算，實時輸出控制信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換卡導(dǎo)入感應(yīng)加熱器， 達到對于鋁合金半固態(tài)坯料感應(yīng)線圈加熱過程的閉環(huán)控制。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明首次將紅外非接觸測溫技術(shù)用于金屬坯料半固態(tài)重熔加熱控制，利用紅外 測溫技術(shù)實現(xiàn)了金屬坯料液相率的非接觸測控，簡化了工藝步驟，降低了制造成本。它對于 促進金屬半固態(tài)成形方法的發(fā)展及其應(yīng)用具有重要意義。


圖1是半固態(tài)鋁合金A356的固相率隨溫度變化曲線。圖2是半固態(tài)鋁合金A356坯料在感應(yīng)線圈加熱過程中溫度變化實驗曲線。圖3是基于紅外測溫的鋁合金半固態(tài)重熔加熱控制裝置示意圖。圖4是基于紅外測溫的鋁合金半固態(tài)重熔加熱控制系統(tǒng)示意圖。圖中1.微型計算機，2.紅外測溫儀，3.感應(yīng)加熱線圈，4.鋁合金半固態(tài)坯料， 5.耐火磚，6.感應(yīng)加熱器。
具體實施例方式如圖3、圖4所示，本發(fā)明包括微型計算機1、紅外測溫儀2、感應(yīng)加熱線圈3、耐火磚5和感應(yīng)加熱器6 ；將感應(yīng)加熱線圈3置于耐火磚5上，感應(yīng)加熱線圈3內(nèi)裝有鋁合金半 固態(tài)坯料4，紅外測溫儀2對準在鋁合金半固態(tài)坯料4表面中心位置，紅外測溫儀2與微型 計算機1通過USB 口進行通訊，感應(yīng)加熱器6的一端接感應(yīng)加熱線圈3，感應(yīng)加熱器6的另一 端接微型計算機1，微型計算機1中運行的加熱控制程序依據(jù)接收的溫度信號，通過運算， 實時輸出控制信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換卡導(dǎo)入感應(yīng)加熱器6，達到對于鋁合金半固態(tài)坯料感應(yīng)線 圈加熱過程的閉環(huán)控制。本發(fā)明應(yīng)用于A356半固態(tài)鋁合金感應(yīng)加熱的具體實施過程如下1)如圖3所示，將鋁合金半固態(tài)坯料4置于感應(yīng)加熱線圈3中，調(diào)整紅外測溫儀2 對準坯料的表面中心位置，連接紅外測溫儀2至微型計算機1，開啟測溫軟件顯示溫度變化 曲線。2)如圖3所示，開始感應(yīng)線圈加熱，控制感應(yīng)加熱頻率為7000-9000HZ，加熱功率 30-35kW，溫度變化曲線呈明顯上升趨勢。由于感應(yīng)加熱的固有屬性，鋁合金半固態(tài)坯料4 的邊緣部分溫度將高于中心部分溫度，半固態(tài)成形結(jié)果受溫度影響很大，坯料溫度徑向分 布不均勻?qū)Τ尚谓Y(jié)果造成不利影響。因此，在對鋁合金半固態(tài)坯料4持續(xù)加熱至540°C后 停止加熱，在坯料溫度低于540°C時不會發(fā)生相變反應(yīng)。停止加熱后由于熱傳導(dǎo)鋁合金半固 態(tài)坯料4徑向溫度將趨于均勻。3)如圖3所示，對鋁合金半固態(tài)坯料4停止加熱5s后重新開始感應(yīng)線圈加熱，控 制感應(yīng)加熱頻率為7000-9000HZ，調(diào)節(jié)加熱功率至15-20kW。在步驟2中，采用大功率加熱 可以提高加熱效率，但在臨近固液共存區(qū)時降低功率從而降低加熱速率可以降低坯料徑向
iS差ο4)如圖3所示，計算機監(jiān)測溫度變化曲線，待溫度曲線在574°C左右趨于平穩(wěn)不再 上升時，調(diào)節(jié)加熱功率5-8kW。溫度曲線的平穩(wěn)標志著鋁合金半固態(tài)坯料4進入鋁硅二元共 晶相變區(qū)，在鋁硅鎂系合金中，硅元素的含量僅次于鋁，因而鋁硅二元共晶相變區(qū)在相變加 熱曲線中是一段明顯的平穩(wěn)段。在進入溫度曲線平穩(wěn)的二元共晶相變區(qū)后，由于即將達到 目標液相率，因此進一步降低加熱功率。5)計算機監(jiān)測溫度變化曲線，待溫度曲線由平穩(wěn)的574°C轉(zhuǎn)而重新升高，溫度 曲線的重新升高標志著鋁硅共晶相變的結(jié)束，而此時的液相率正是半固態(tài)成形理想的 40-45%,A356的固相率與溫度的關(guān)系曲線如圖1所示。待溫度在574°C的基礎(chǔ)上重新升高 5-10°C，以確定鋁合金半固態(tài)坯料4已經(jīng)結(jié)束鋁硅二元共晶相變區(qū)，停止加熱。圖2為一段坯料加熱過程的溫度實測曲線，該實驗曲線清晰地體現(xiàn)了加熱過程中 的平坦區(qū)，以及平坦區(qū)之后的溫度再次上升，驗證了以上理論預(yù)測。因此，通過紅外測溫儀 監(jiān)測溫度變化曲線，進而控制溫度曲線經(jīng)過一段明顯的平坦區(qū)再開始上升時，即達到適合 半固態(tài)觸變成形的液相率范圍。6)完成鋁合金半固態(tài)重熔加熱，將半固態(tài)坯料移至后續(xù)加工環(huán)節(jié)。依據(jù)以上步驟編制控制程序，儲存于計算機中，從而達到閉環(huán)控制的目標。控制系 統(tǒng)示意圖如圖4所示。
權(quán)利要求
一種基于紅外測溫的鋁合金半固態(tài)重熔加熱控制方法，其特征在于，該方法包括以下各步驟1)將鋁合金半固態(tài)坯料置于感應(yīng)加熱線圈中，調(diào)整紅外測溫儀對準坯料的表面中心位置，連接紅外測溫儀至計算機，開啟測溫軟件顯示溫度變化曲線；2)開始感應(yīng)線圈加熱，頻率為7000-9000Hz，加熱功率30-35kW，加熱至540℃時停止加熱；3)停止加熱5s后重新開始感應(yīng)線圈加熱，頻率為7000-9000Hz，調(diào)節(jié)加熱功率至15-20kW；4)繼續(xù)加熱，待溫度曲線趨于平穩(wěn)不再上升時，調(diào)節(jié)加熱功率為5-8kW；5)繼續(xù)加熱，待溫度曲線由平穩(wěn)轉(zhuǎn)而重新升高，重新升高5-10℃后停止加熱；6)完成鋁合金半固態(tài)重熔加熱，將半固態(tài)坯料移至后續(xù)加工環(huán)節(jié)。
2.按權(quán)利要求1所述方法的一種基于紅外測溫的鋁合金半固態(tài)重熔加熱控制裝置，其 特征在于包括微型計算機(1)、紅外測溫儀(2)、感應(yīng)加熱線圈(3)、耐火磚(5)和感應(yīng)加 熱器(6)；將感應(yīng)加熱線圈(3)置于耐火磚(5)上，感應(yīng)加熱線圈(3)內(nèi)裝有鋁合金半固態(tài) 坯料(4)，紅外測溫儀(2)對準在鋁合金半固態(tài)坯料(4)表面中心位置，紅外測溫儀(2)與 微型計算機(1)通過USB 口進行通訊，感應(yīng)加熱器(6)的一端接感應(yīng)加熱線圈(3)，感應(yīng)加 熱器(6)的另一端接微型計算機(1)，微型計算機(1)中運行的加熱控制程序依據(jù)接收的溫 度信號，通過運算，實時輸出控制信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換卡導(dǎo)入感應(yīng)加熱器(6)，達到對于鋁合 金半固態(tài)坯料感應(yīng)線圈加熱過程的閉環(huán)控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于紅外測溫的鋁合金半固態(tài)重熔加熱控制方法及裝置。紅外測溫儀對準半固態(tài)坯料表面中心位置，紅外測溫儀與微型計算機通過USB口進行通訊，在計算機中通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的在線接收和處理，實時顯示出溫度變化曲線，并對感應(yīng)加熱器輸出控制信號。本發(fā)明對于鋁合金半固態(tài)坯料采用多步法進行重熔加熱，同時通過紅外測溫系統(tǒng)監(jiān)測溫度變化曲線，利用坯料相變特性達到準確控制坯料液相率的目的。本發(fā)明實現(xiàn)了鋁合金坯料的半固態(tài)重熔加熱液相率的非接觸式測控，促進了半固態(tài)金屬觸變成形技術(shù)，避免了接觸式測溫帶來的鉆孔等麻煩，降低了設(shè)備成本，提高了工藝效率。
文檔編號G05B15/02GK101813953SQ20101015820
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月27日
發(fā)明者周紅華, 姚喆赫, 梅德慶, 錢淼, 陳子辰 申請人:浙江大學(xué)